Multifrequente Impedanztomographie zur Darstellung der elektrischen Impedanzverteilung im menschlichen Thorax

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die elektrische Impedanztomographie (EIT) zur Abbildung der elektrischen Impedanz des menschlichen Thorax eingesetzt. Systematisch untersucht werden der Aufbau des Meßsystems, Algorithmen zur Rekonstruktion, und die Anwendungs-möglichkeiten der EIT. In dem realisierten System werden 32 Elektroden verwendet. Jede zweite Elektrode dient ausschließlich zur Einspeisung eines konstanten sinusförmigen Wechselstromes von 12,5 kHz - 800 kHz, die verbleibenden zur Messung der entstehenden Spannungen. Zur Verringerung des Einflusses der Verbindungs-kabel werden aktive Elektroden sowohl für die Stromeinspeisung als auch für die Spannungsmessung entwickelt. Ein auf der Finite-Elemente- und Newton-Methode basierender iterativer Algorithmus zur Bildrekonstruktion wird entwickelt und durch Computer-Simulationen optimiert. Basierend auf der Newton-Methode wird ein lineares Verfahren zur Rekonstruktion der Veränderung der Impedanz bezüglich einer homogenen Referenzverteilung eingeführt. Anhand eines Thorax-Modells werden erstmals die Einflüsse der inhomogenen Referenz auf die Rekonstruktion untersucht. Zur Überprüfung des Abbildungssystems wird als Phantom ein Widerstandsnetz eingesetzt. Untersucht werden die Einflüsse der Abweichung der Kontur des FE-Modells von der Realität auf die Abbildungsqualität. Weiter wird der Zusammenhang zwischen dem rekonstruierten und dem wahren Wert sowie der Ausdehnung der Widerstands-änderung im Phantom hergestellt. Die Frequenzabhängigkeit der Impedanz-verteilung wird quantitativ abgebildet. Das realisierte System wird am menschlichen Thorax in mehreren Ebenen in vivo angewandt. Die durch Lungenventilation und Herzaktivität hervorgerufenen Impedanz-änderungen werden mit einer Bildrate von 80 Bilder/s abgebildet. Untersucht wird auch der Zusammenhang zwischen dem Impedanz-kardiogramm (IKG) und den rekonstruierten Bildern. Damit gelingt eine auf Messung begründete Interpretation des Verlaufs des IKG.

In this dissertation the electrical impedance tomography (EIT) is used to image the distribution of the impedance of the human thorax. The measurement system, the algorithms for image reconstruction and the possibilities of applications of EIT are systematic studied. In the realized system 32 electrodes are used, every second inject a constant alternating current from 12,5 kHz to 800 kHz and the remaining measure the resulting voltages. To reduce influences of the cables, active electrodes are developed for both the current injection and the voltage measurement. An iterative algorithm for image reconstruction, based on finite element method and Newton method, is developed and optimized with help of computer simulation. A linear method, which is based on the Newton method, is introduced to reconstruct the variation of the impedance distribution, related to a homogenous reference distribution. The influence of the inhomogeneous reference distribution are studied by using a FE-Model of the human thorax. To test the whole system a resistor network is used as a phantom. The influence is studied concerning the contour of the reality and the model in respect to the quality of the image. The relationship between the reconstructed and the real value is investigated as well as the area of the change of impedance in the phantom. The frequency dependence upon the impedance distribution is quantitative imaged. The realized system has been used to in vivo image the human thorax on several planes. The change of the impedance distribution, resulting from the lung ventilation and cardiac activity, is successfully imaged with a maximum rate of 80 images/s. The relationship between the Impedance Cardiogram (ICG) and the reconstructed images is analyzed. It is shown, that the blood volume in the aorta contributes significantly to the ICG. Based on the measurement, an interpretation of the origin of ICG is found.